基于PSP的程序設(shè)計(jì)語言類課程工程化教學(xué)改革

張 麗， 趙衛(wèi)東，馮超男，鄭永果

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

基于PSP的程序設(shè)計(jì)語言類課程工程化教學(xué)改革

張 麗， 趙衛(wèi)東，馮超男，鄭永果

（山東科技大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山東 青島 266590）

針對(duì)目前高校程序設(shè)計(jì)語言類課程教學(xué)存在的問題，借助PSP的過程要求，提出程序設(shè)計(jì)語言類課程工程化教學(xué)的內(nèi)涵與目標(biāo)，以及基于PSP的工程化教學(xué)的改革方案。

PSP；程序設(shè)計(jì)語言；工程化教學(xué)；教學(xué)改革

1 背 景

程序設(shè)計(jì)語言類課程主要包括C、C++、Java等，是計(jì)算機(jī)相關(guān)專業(yè)的入門課程，這些課程不僅是學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課程的基礎(chǔ)，更是培養(yǎng)和訓(xùn)練編程工程技能和素養(yǎng)的關(guān)鍵。為此，各高校都非常重視程序設(shè)計(jì)語言類課程的教學(xué)改革，并取得了良好的教學(xué)效果，學(xué)生的實(shí)際編程能力得到了一定的提高，但大部分高校在程序設(shè)計(jì)語言類課程教學(xué)過程中，并沒有很好地貫徹執(zhí)行CDIO教育理念，教學(xué)的各個(gè)環(huán)節(jié)忽視了對(duì)學(xué)生規(guī)范化工程技能和素養(yǎng)的培養(yǎng)和訓(xùn)練，使學(xué)生從一開始就養(yǎng)成了很多后期難以改正的錯(cuò)誤觀念和習(xí)慣，例如隨心所欲的編程過程、不規(guī)范的編程風(fēng)格等。學(xué)生編程的過程能力和工程素養(yǎng)與軟件工程的實(shí)際要求相去甚遠(yuǎn)。

PSP（personal software process，個(gè)體軟件過程）是幫助程序員改善個(gè)人編程能力的組織過程，是指導(dǎo)程序員培養(yǎng)工程素養(yǎng)和提高過程能力的系統(tǒng)化方法。筆者通過將PSP的相關(guān)理論和方法融合到程序設(shè)計(jì)語言類課程教學(xué)過程中，系統(tǒng)改革程序設(shè)計(jì)語言類課程的教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法，以全面貫徹落實(shí)CDIO的教學(xué)理念，強(qiáng)化學(xué)生編程過程能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和訓(xùn)練。

2 工程化教學(xué)改革思路

2.1 工程化教學(xué)的內(nèi)涵和目標(biāo)

CDIO工程化教育模式實(shí)現(xiàn)了知識(shí)、能力和素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展[1]，代表的是構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)和運(yùn)作的教學(xué)理念，它倡導(dǎo)的是“做中學(xué)”，并且是“基于項(xiàng)目的教育和學(xué)習(xí)”[2]。進(jìn)行工程化教學(xué)就是將CDIO的理念融入到程序語言類課程的教學(xué)設(shè)計(jì)上，從軟件工程對(duì)編程的工程化和規(guī)范化要求出發(fā)，加強(qiáng)對(duì)學(xué)生編程過程能力和規(guī)范化工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和訓(xùn)練，使其從一開始就養(yǎng)成正確和良好的編程工作方式和習(xí)慣。實(shí)施工程化教學(xué)的目標(biāo)是讓學(xué)生以主動(dòng)的、課程間有機(jī)聯(lián)系的、實(shí)踐的方式進(jìn)行工程化學(xué)習(xí)，培養(yǎng)成熟、完整、有思想的程序設(shè)計(jì)開發(fā)人員，使其發(fā)展成為有技術(shù)、有素養(yǎng)的個(gè)體。

2.2 基于PSP的工程化教學(xué)改革

對(duì)現(xiàn)有的教學(xué)方式進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)存在一些問題不能滿足工程化教學(xué)的要求。其一，教師教學(xué)方式的問題，教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)不夠合理，在教學(xué)過程中教師只注重語言本身知識(shí)的傳授，把大部分的時(shí)間用在講授語法和程序設(shè)計(jì)上，忽略對(duì)學(xué)生編程過程的指導(dǎo)和培養(yǎng)；其二，學(xué)生學(xué)習(xí)方式的問題，學(xué)生只注重編寫正確的程序，不重視編寫的過程和工程經(jīng)驗(yàn)的積累，表現(xiàn)在隨心所欲、缺少計(jì)劃和總結(jié)等。長(zhǎng)此以往，學(xué)生雖能編寫程序，卻沒有形成良好的編程工作習(xí)慣和規(guī)范的編碼風(fēng)格，其編程的效率和質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到軟件工程的要求。

PSP是基于軟件技術(shù)、工程思想和專業(yè)方法幫助軟件工程師改善個(gè)人編程能力的組織過程[3]。它由一系列的表格、方法和腳本組成，主要目的就是幫助軟件工程師提高編程能力，進(jìn)而管理軟件開發(fā)的質(zhì)量。圖1為PSP的過程框架[4]，該框架描述了從需求開始，經(jīng)過計(jì)劃、設(shè)計(jì)、編碼、編譯、測(cè)試到總結(jié)的整個(gè)開發(fā)過程，過程中以計(jì)劃腳本為指導(dǎo)，并隨時(shí)產(chǎn)生時(shí)間記錄日志、缺陷記錄日志等，在項(xiàng)目結(jié)束時(shí)把記錄的時(shí)間、缺陷等問題進(jìn)行總結(jié)，最后將其寫入計(jì)劃總結(jié)報(bào)告中。因此，將PSP的思想和方法融合到程序設(shè)計(jì)語言類課程教學(xué)過程中，對(duì)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)方法進(jìn)行系統(tǒng)化改革，符合工程化的教學(xué)思想，有利于學(xué)生編程過程能力和工程素養(yǎng)的培養(yǎng)和提高。

圖1 PSP的過程框架圖

3 工程化教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)

為了實(shí)施課程的工程化教學(xué)，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)之一，按照PSP過程框架的要求，結(jié)合程序設(shè)計(jì)語言類課程工程化教學(xué)目標(biāo)，通過融入CDIO的理念，對(duì)課程教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)如下。

3.1 課堂教學(xué)內(nèi)容

根據(jù)PSP過程框架的要求，課堂教學(xué)增加程序質(zhì)量、編碼規(guī)范、編程計(jì)劃、設(shè)計(jì)、測(cè)試、總結(jié)等內(nèi)容，引導(dǎo)并培養(yǎng)學(xué)生按照科學(xué)的過程和規(guī)范的工程化要求進(jìn)行編程，改變隨心所欲的編程方式。其中，程序質(zhì)量主要講授正確性、可靠性、可維護(hù)性、安全性、可擴(kuò)展性等質(zhì)量要素，使學(xué)生清楚什么才是高質(zhì)量的程序；編碼規(guī)范主要講授一套通用的編程規(guī)范，如通過標(biāo)識(shí)符規(guī)范、備注規(guī)范等來提高程序的可讀性；編程計(jì)劃和設(shè)計(jì)主要講授如何進(jìn)行程序設(shè)計(jì)以及如何制定程序設(shè)計(jì)計(jì)劃等，以保證程序設(shè)計(jì)按照預(yù)想的步驟進(jìn)行；測(cè)試主要講授如何進(jìn)行單元測(cè)試，重點(diǎn)講授白盒測(cè)試技術(shù)來保證程序設(shè)計(jì)的正確性，提高程序質(zhì)量；總結(jié)主要是講授如何借助表格來統(tǒng)計(jì)程序設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)以及如何對(duì)統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析等。

3.2 實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

良好的編程習(xí)慣和工程素養(yǎng)必須通過反復(fù)的實(shí)踐訓(xùn)練才能逐步形成。為此，必須依據(jù)PSP規(guī)范流程對(duì)傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)上機(jī)實(shí)驗(yàn)的流程進(jìn)行變革。首先，要培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)劃能力，讓學(xué)生自己確定在編寫代碼前干什么，如何去干，然后再開展工作，檢查工作并且確保工作的正確性，即上機(jī)實(shí)驗(yàn)之前要制定一份計(jì)劃，這份計(jì)劃要包括程序設(shè)計(jì)的目的、要求、流程、編程用時(shí)估計(jì)等。當(dāng)計(jì)劃制定完成之后，還需要對(duì)其進(jìn)行檢查，確保沒有遺漏重要的事項(xiàng)，甚至還要檢查相關(guān)信息的填寫是否正確。其次，在實(shí)踐過程中，學(xué)生要依據(jù)PSP的規(guī)范制定相應(yīng)的表格來統(tǒng)計(jì)編程的相關(guān)數(shù)據(jù)，表格的樣式見4.1部分。最后，學(xué)生在提交實(shí)踐報(bào)告時(shí)，要進(jìn)行總結(jié)，將實(shí)踐計(jì)劃、實(shí)踐數(shù)據(jù)的相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息、程序測(cè)試的測(cè)試用例、測(cè)試結(jié)果寫在實(shí)踐報(bào)告中，便于以后進(jìn)行查看。

4 工程化教學(xué)方法設(shè)計(jì)

PSP能幫助程序設(shè)計(jì)者積累編程過程數(shù)據(jù)，根據(jù)積累的數(shù)據(jù)，識(shí)別程序設(shè)計(jì)過程中的優(yōu)勢(shì)和不足。個(gè)體過程是用來指導(dǎo)軟件開發(fā)的指南，為適應(yīng)程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)，本文結(jié)合CDIO理念，對(duì)PSP過程進(jìn)行簡(jiǎn)化和重定義，設(shè)計(jì)適合語言教學(xué)的基于PSP的教學(xué)方法。

4.1 程序設(shè)計(jì)教學(xué)過程數(shù)據(jù)采集

在軟件過程中實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”。首先，對(duì)于程序設(shè)計(jì)語言基礎(chǔ)知識(shí)的講授，要采用與實(shí)際應(yīng)用相結(jié)合的方法，用實(shí)戰(zhàn)項(xiàng)目進(jìn)行演練，并將復(fù)雜或者規(guī)模較大的任務(wù)模塊變成結(jié)構(gòu)可分析的對(duì)象。其次，在實(shí)踐演練中，讓學(xué)生靈活運(yùn)用PSP中的相關(guān)約束規(guī)范，主要是遵循PSP的設(shè)計(jì)原則，對(duì)于實(shí)踐中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，體現(xiàn)在教學(xué)上就是設(shè)計(jì)合理的表格，幫助學(xué)生進(jìn)行個(gè)人數(shù)據(jù)的管理。

參照PSP過程框架（見圖1）可知程序設(shè)計(jì)要經(jīng)歷4個(gè)階段：設(shè)計(jì)、編碼、編譯和測(cè)試，在每個(gè)階段都需要用相應(yīng)的表格對(duì)程序設(shè)計(jì)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)的主要內(nèi)容包括程序的規(guī)模（可用代碼行數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)）、整個(gè)程序從設(shè)計(jì)到完成的用時(shí)和在設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的缺陷等。因此，表格設(shè)計(jì)是否合理直接影響數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)的有效性、實(shí)用性和數(shù)據(jù)分析的準(zhǔn)確性。針對(duì)程序設(shè)計(jì)時(shí)間和缺陷統(tǒng)計(jì)設(shè)計(jì)相應(yīng)的表格，供教學(xué)參考。

1）程序設(shè)計(jì)時(shí)間記錄。

編程時(shí)間是衡量一個(gè)程序大小及編程者能力的重要元素之一，傳統(tǒng)程序設(shè)計(jì)語言的教學(xué)往往不注重時(shí)間的統(tǒng)計(jì)。恰好PSP提供了時(shí)間記錄日志，對(duì)編程時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，若將其用于程序設(shè)計(jì)語言類課程的教學(xué)中，就能達(dá)到統(tǒng)計(jì)編程時(shí)間、積累原始數(shù)據(jù)的目的。為此，根據(jù)PSP提供的程序時(shí)間記錄日志設(shè)計(jì)出能應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐的個(gè)人時(shí)間記錄日志，包括項(xiàng)目、階段、中斷時(shí)間、結(jié)束日期及時(shí)間、凈時(shí)間和注釋。

在對(duì)設(shè)計(jì)的每個(gè)小程序進(jìn)行編程用時(shí)統(tǒng)計(jì)之后，學(xué)生可以在程序時(shí)間記錄的基礎(chǔ)上，用表1進(jìn)行個(gè)人歷史數(shù)據(jù)的總結(jié)統(tǒng)計(jì)，其中的單元即為程序的代碼規(guī)模（可用代碼行數(shù)來統(tǒng)計(jì)）。在進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)后，可以得到個(gè)人編程的單位時(shí)間（即平均值）、最大值以及最小值。

表1 個(gè)人程序歷史數(shù)據(jù)總結(jié)表

2）程序設(shè)計(jì)缺陷記錄。

從以往的軟件開發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以看出，在任何軟件開發(fā)過程中，都不可避免出現(xiàn)各種各樣的錯(cuò)誤。針對(duì)此問題，PSP程序設(shè)計(jì)框架也提出了相應(yīng)的解決措施，提供指導(dǎo)軟件工程師對(duì)缺陷進(jìn)行有效跟蹤和管理的方法。同樣，在程序設(shè)計(jì)語言類課程的教學(xué)中，也會(huì)遇到各種各樣的錯(cuò)誤，如果在教學(xué)過程中能夠提供一種有效的方法對(duì)錯(cuò)誤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析造成錯(cuò)誤的原因，那么將能大大提高學(xué)生的編程水平，降低同類錯(cuò)誤的出錯(cuò)率。

基于以上情況，首先，對(duì)于程序設(shè)計(jì)中可能遇到的錯(cuò)誤進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，主要可以分為以下幾種：拼寫錯(cuò)誤、聲明錯(cuò)誤、名稱類型錯(cuò)誤、標(biāo)點(diǎn)符號(hào)說明錯(cuò)誤、指令格式錯(cuò)誤、賦值錯(cuò)誤、功能錯(cuò)誤（邏輯、指針、循環(huán)等）、系統(tǒng)錯(cuò)誤（配置、內(nèi)存）等。然后，針對(duì)可能出現(xiàn)的錯(cuò)誤，設(shè)計(jì)好表格（見表2）對(duì)其進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。最后，對(duì)同一種類型錯(cuò)誤出現(xiàn)的次數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分析出錯(cuò)的原因。這樣，在以后出現(xiàn)類似的程序設(shè)計(jì)時(shí)，可以避免出現(xiàn)類似的錯(cuò)誤。

4.2 基于數(shù)據(jù)分析的教學(xué)過程改進(jìn)

有了歷史數(shù)據(jù)的積累，教師可以更好地安排教學(xué)，并針對(duì)出現(xiàn)較多的程序錯(cuò)誤進(jìn)行分析講解，避免學(xué)生出現(xiàn)類似的錯(cuò)誤。學(xué)生也可以對(duì)自己的編程能力有一個(gè)清晰的認(rèn)識(shí)，對(duì)于相似規(guī)模的程序，可以更加準(zhǔn)確地制定時(shí)間計(jì)劃。

根據(jù)個(gè)人程序紀(jì)錄日志，可以清楚地看到某個(gè)程序的開始時(shí)間、結(jié)束時(shí)間和中斷時(shí)間，并通過計(jì)算得到每個(gè)程序的所用凈時(shí)間。應(yīng)用這樣的表格對(duì)編程用時(shí)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到個(gè)人的第一個(gè)比較準(zhǔn)確的時(shí)間數(shù)據(jù)。根據(jù)這份統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)，教師可以清楚地看到每個(gè)學(xué)生的編程用時(shí)，在以后安排類似的程序設(shè)計(jì)題目時(shí)，教師可以根據(jù)每個(gè)人的不同掌握程度進(jìn)行指導(dǎo)。學(xué)生個(gè)體也可以用這份數(shù)據(jù)得到自己的中斷時(shí)間和凈編程用時(shí)，數(shù)據(jù)積累之后，可以比較自己哪個(gè)程序設(shè)計(jì)用時(shí)較長(zhǎng)，然后針對(duì)用時(shí)較長(zhǎng)的項(xiàng)目進(jìn)行分析，找到自己學(xué)習(xí)的薄弱點(diǎn)。學(xué)生還能依據(jù)這份數(shù)據(jù)對(duì)以后類似的程序設(shè)計(jì)進(jìn)行用時(shí)估計(jì)。

表2 錯(cuò)誤統(tǒng)計(jì)表

在表1中，從平均值的變化可以清晰地看出個(gè)人編程能力的變化，如果平均值整體上變小，說明單位模塊的程序設(shè)計(jì)用時(shí)減小，個(gè)人編程能力呈上升趨勢(shì)；若相反，就要分析造成這種情況的原因，并采取相關(guān)措施改善這種狀況。對(duì)于程序設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的異常值（數(shù)值偏大或者偏小），分析其造成原因。長(zhǎng)此以往，就能大大改善學(xué)生的編程能力及編程習(xí)慣，并能對(duì)下次估計(jì)編程時(shí)間和規(guī)模提供參考數(shù)據(jù)。

除此之外，學(xué)生對(duì)于程序設(shè)計(jì)中遇到的缺陷，要找到盡可能合理的方法對(duì)缺陷進(jìn)行預(yù)防。以下給出缺陷分析步驟：①對(duì)出現(xiàn)的某個(gè)缺陷進(jìn)行分析；②找到出現(xiàn)缺陷的原因,是拼寫錯(cuò)誤、聲明錯(cuò)誤，還是其他錯(cuò)誤等；③對(duì)于缺陷原因，可使用魚骨圖[5]來標(biāo)明錯(cuò)誤注入的先后順序（見圖2）；④找出缺陷中較普遍問題的趨勢(shì)，一些潛在的原因是不合理的溝通、拼寫錯(cuò)誤、理解偏差或者不完整的過程等；⑤通過以上分析，設(shè)計(jì)出預(yù)防這些問題的方法；⑥分析過去有效的方法，確保在過程修正中能將有效的方法結(jié)合到程序設(shè)計(jì)中；⑦重復(fù)以上步驟，直到?jīng)]有更多的想法。

5 結(jié) 語

將軟件工程師的自我改進(jìn)過程應(yīng)用到程序語言類課程的教學(xué)中，將大大改善傳統(tǒng)的教學(xué)模式，遵照PSP規(guī)范過程教學(xué)的學(xué)生將會(huì)在編碼規(guī)范、時(shí)間管理、程序設(shè)計(jì)速度、代碼正確率、軟件開發(fā)能力等方面有明顯的提高。這將有利于提高學(xué)生的工程素養(yǎng)，在程序設(shè)計(jì)語言類課程學(xué)習(xí)時(shí)就養(yǎng)成良好的個(gè)人軟件開發(fā)規(guī)范，能更好地適應(yīng)當(dāng)今快速變化的軟件開發(fā)形式，避免低質(zhì)量軟件的產(chǎn)生。

圖2 錯(cuò)誤分析魚骨圖

基于PSP的程序設(shè)計(jì)語言類課程工程化教學(xué)改革方案，主要涉及如何在程序設(shè)計(jì)語言類課程的教學(xué)上規(guī)范化PSP，教學(xué)并沒有涉及個(gè)人循環(huán)過程，下一步研究將針對(duì)高年級(jí)的實(shí)訓(xùn)過程，開發(fā)出基于 PSP的個(gè)人循環(huán)過程的工程化教學(xué)，從而完善程序設(shè)計(jì)語言類課程的教學(xué)改革，使學(xué)生真正全面接受個(gè)體軟件工程化的培訓(xùn)過程，達(dá)到軟件開發(fā)人員的基本素質(zhì)要求。

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（編輯：史志偉）

1672-5913(2017)03-0119-05

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山東科技大學(xué)優(yōu)秀教學(xué)團(tuán)隊(duì)建設(shè)計(jì)劃資助項(xiàng)目（JXTD20160506）。

張麗，女，在讀碩士生，研究方向?yàn)檐浖こ?，zzgw0005@163.com。